ハイスループットマイクロ流体の迅速かつ低コストのプロトタイピング包装方法

Summary

この記事では、マイクロ流体ラピッドプロトタイピングプラットフォームのさまざまな手法について説明します。提案された技術は、紫外線(UV)に敏感で温度硬化性のエポキシ、ポリジメチルシロキサン(PDMS)ベースのチューブ、ワイヤーボンディング、および異方性接着フィルムに基づいています。提示された組み立て手順は、1回限りの使用デバイスと再利用可能なマイクロ流体システムの両方に対して開発されています。

Abstract

本研究では、3種類のパッケージングとアセンブリ技術が提示されています。一回限りの使用および再使用可能なパッケージング技術：彼らは、2つのカテゴリに分類することができる。

1回使用パッケージング技術は、電気的接続のためのUVベースおよび温度の穴にアクセスするためにマイクロチューブを接続するためにエポキシ樹脂を硬化、集積回路接続用のワイヤボンディング、及び銀エポキシを使用する。この方法は、1 PSIに近い比較的高い圧力をサポートすることができ、マイクロ流体アーキテクチャを強化する任意のサポートを必要としない堅牢な組立技術に基づいています。

再利用可能なパッケージング技術は、PDMSベースのマイクロチューブのインターコネクタとの電気的接続のための異方性接着フィルムで構成されています。これらのデバイスは、より敏感かつ脆弱である。従って、プレキシガラス支持体は、異方性接着フィルムが使用されるときに電気的接触を改善するために、また、strengtheするマイクロ流体構造に追加されるNマイクロ流体アーキテクチャ。また、マイクロマニピュレータは、アクセスホールに接続すること薄いPDMS層を使用しながら、チューブを維持するために必要とされる。 0.45〜3ミリメートルの範囲の異なるPDMS層の厚さは、注入速度に対する最良の付着を比較するために試験される。応用注入速度は、それぞれ0.45〜3ミリメートルのPDMS層のために50〜300μL/時まで変化させている。これらの技術は、低圧の用途に主に適用可能である。しかしながら、それらは永久にガラス基板にPDMSを密封するために酸素プラズマ処理を介して高圧もののために拡張することができる。この技術の主な利点は、それが再使用可能であるという事実に加えて、マイクロチャネルの長さ（3mm以上低いの範囲）が非常に短い場合には観察可能な装置を保つからなる。

Introduction

近年の微細加工の進歩により、多数の電極やさまざまな種類の制御アルゴリズムを含む、より複雑なマイクロ流体デバイスが登場しています。しかし、これらの進歩は、パッケージングにおける新たな課題を浮き彫りにしました。さらに、Lab-on-Chip(LoC)は、マイクロ流体デバイス、マイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS)、マイクロエレクトロニクスチップなどの部品が接続された学際的な概念です。したがって、マイクロエレクトロニクス回路の感度と保護、チューブ、機械的側面など、LoCコンポーネントのさまざまな制約を考慮せずにパッケージングプロセスを開発することは不可能です。さらに、特定のLoCのコンポーネントのパッケージ化は、アプリケーション^1,2と密接に関連しています。例えば、光学アプリケーションでは、特にテスト目的では、デバイスの透明性が重要です。したがって、デバイスを監視可能に保つことでシステムの動作を監視することが重要です。細胞または粒子の操作に関連するアプリケーションでは、低電圧技術の使用がより魅力的であり、電極寸法の縮小(数μmからサブミクロンスケール^3〜5)を容易にする新しい微細加工技術の出現により、電極の数が100以上に大幅に増加します。

一方、化学的および生物学的分析専用のLoCは、長期的な観察が必要です。したがって、システムのパッケージングとテストベンチは、システムを監視可能に保つだけでなく、LoCの電子デバイスの生物学的汚染や故障を回避する必要があります。

最近発表された論文では、マイクロ流体とMEMSがLoCの主要部分ですが、システムの監視には他のモジュールが使用されることもあります。その結果、マイクロ流体アーキテクチャのテストと検証は、新しい微細加工アプローチと高複雑性およびスループットアーキテクチャにより、困難な問題になりました。これまで、マイクロエレクトロニクスダイの場合のように、マイクロ流体システム用の標準的なテストプラットフォームやサポートはありませんでした。

研究者たちは、Xieらのように、特定の用途に対して異なるパッケージング技術を提案しました。⁶ マイクロ流体チャネルでのDNA分離を制御するマイクロエレクトロニクスチップを含むバイオマイクロ流体パッケージを設計した人。ビービー他。^図7は、流体サンプルを操作するために、流体リザーバーと刺激応答性ハイドロゲルバルブを統合したマイクロ流体チャネルを設計しました。他のシステムでは、電界を介して圧力を検出し、気泡を生成し、対応する圧力を測定するために、電解気泡ベースのフローセンサーの使用を提案しています⁸. センシングシステムは、気泡のインピーダンスを測定し、次に圧力を決定します。これには、測定に干渉が入らないように特別に設計された特別なパッケージが必要です。また、別の研究では、逐次プラズマ活性化プロセス⁹に基づく室温マイクロ流体パッケージング法を紹介した。このプロセスにより、強力に組み立てられたデバイスが作成される可能性があるにもかかわらず、プロトタイピングの目的で使用する場合や、デバイスを数回使用する場合は制限があります。後者は、システムの一部を頻繁に交換することを意味する場合があります。さらに、Leeらは、マイクロ流体アーキテクチャが集積回路¹⁰の上部に設計されている、個々の磁気ビーズ操作に磁場を使用することに基づく、Biolab-on-ICと呼ばれる新しいパッケージング技術を導入した。さらに、システムのサイズ、光学的側面、および接続部品を考慮したマイクロ流体システムのパッケージングと統合の信頼性は、Han と Frazier¹¹ が詳述しているように重要な問題です。この後者の作業は、パッケージング中にいくつかのパラメータを正確に固定して測定する必要があるLoCシステムの典型的なアプローチを反映しています。

したがって、マイクロ流体パッケージングは、新世代のマイクロ流体デバイスにとって困難な問題です。パッケージには、チューブ、電気接続、マイクロ流体サポートなどの異種部品が含まれます。チューブの場合、主な問題は、チューブを接続してマイクロ流体の穴にアクセスするために利用できるスペースが非常に限られていることです。現在市販されているコネクタの直径は6mmの範囲です。しかし、2つのアクセスホール間の距離は、システム全体の寸法^12〜13の縮小に伴って小さくなっている。そこで、PDMSをベースとしたチューブ技術を提案しました。このチューブプロセスは、プロトタイピング段階のために特別に精巧に作られています。実際、化学的制約のため、微細構造内の液体漏れを回避および最小限に抑え、マイクロチャネルを洗浄するために、使用するたびに接続チューブを交換することが義務付けられています。これらの目的のために、このホワイトペーパーで説明するプロセスは、ラピッドプロトタイピング設計に特に適用できます。

一方、直接的または間接的な電気的操作または測定を利用するマイクロ流体デバイスにとって、電気接続は重要です。マイクロ流体の用途は多岐にわたるため、デバイスの寸法、形状、および電気接点の数は大幅に異なる場合があります。したがって、さまざまなアプリケーションに使用できる汎用性の高い方法が必要です。Kalerらは、ゼロ挿入力(ZIF)コネクタ¹⁴に基づくマイクロ流体ラピッドプロトタイピングプラットフォームからの結果を報告しました。これらの後のコネクタの代わりに、提示された方法は異方性接着剤導電性フィルムを使用し、これは任意の形状に容易に適合させることができる。

多くの研究者は、マイクロ流体デバイスを設計する際にテストの制約を考慮していません。マイクロエレクトロニクスでは、プロトタイピングの目的やテストに使用される多くのサポートがあり、これらはICホルダーと呼ばれます。これらは主に、プロトタイピングとテストの時間を短縮し、研究者やエンジニアが故障した場合にデバイスを簡単に交換できるように設計されています。マイクロエレクトロニクスと同様に、45 mm x 90 mmのデバイスサイズに制限されたマイクロ流体デバイス用の新しいテストパッケージも提案しています。

私たちの提案する技術は、多数のマイクロ流体デバイスとアプリケーションをカバーすることを目標としています。これらの方法は、他のアプリケーションに適応、拡張、アップグレードできます。私たちは、マイクロ流体操作に最適化されたマイクロ流体デバイス向けの最初の汎用性の高いパッケージング方法の1つを提供することを目指しています。例えば、これらの技術でパッケージ化されたデバイスの最終用途の1つは、人工脳脊髄液によるポリスチレンおよびカルボキシル修飾ミクロスフェアの分離です。それにもかかわらず、それらは異なるソリューションで他のアプリケーションで使用できます。

この記事の残りの部分では、3つの異なるチューブ技術、2つの電気接続方法、および1つのマイクロ流体パッケージング方法を提示し、比較します。

Protocol

1. 低圧マイクロ流体アプリケーション用の取り外し可能なPDMSベースのインターコネクタ^15-16

1. 準備
   このセクションでは、インターコネクタを製造するためにガラスとPDMSを準備するさまざまな手順について説明します。
   1. PDMSの準備:PDMSと硬化剤を(10:1)の比率で混合します。
   2. オーブンの温度が80°Cの一定温度で安定していることを確認します。オーブンによっては、測定装置を使用してオーブンの温度を感知し、手動で監視します。
   3. エタノールでペトリ皿を徹底的に洗浄します。
   4. PDMSインターコネクトが配置されるマイクロ流体アクセスホールの表面を清掃します。
2. ファブリケーション
   このホワイトペーパーで説明する相互接続器は、基本的に準拠したガスケットです。このガスケットはPDMSから形成され、マイクロチューブを挿入できる穴が含まれています。マイクロ流体チップの表面に自己接着し、マイクロチューブとチップ内のマイクロチャネルへのアクセス穴との間に漏れ防止シールを形成します.
   インターコネクタを作成するには、次の手順に従います。
   1. PDMS(液体)の薄層(約2 mm)をペトリ皿に注ぎます。
   2. PDMSをオーブンで80°Cの温度で12〜15分間わずかに重合させ、接続を行うマイクロ流体チップを同時にオーブンに入れて、同じ温度になるようにします。
   3. PDMSが重合し始めたら、硬化オーブンから取り出します。
   4. 生検パンチを使用して、マイクロ流体チップ表面に目的の直径の穴を形成します。
   5. ブレードを使用して、必要なPDMS
      をカットします 注:最初は、最終的に必要になるよりも大きな材料を切り取ることをお勧めします。複数のコネクタを使用しないようにするには、任意のPDMSインターコネクトを正方形に切断し、ユーザーのチップ上の最大穴数に適合するように穴を開けることが望ましいです。
   6. 穴はマイクロチューブの外径よりわずかに小さくしてください。
   7. PDMSをペトリ皿からすばやく取り出し、マイクロ流体チップに置きます。
   8. PDMSまたはチップにほこりがないことを確認し、マイクロ流体チップのアクセスホールがPDMSのアクセスホールと位置合わせされていることを確認してください。
   9. マイクロポジショナーを使用して、PDMSインターコネクタを介してチューブ(テフロンチューブなど)を挿入します。チューブは、液体の漏れを防ぐために、マイクロ流体アクセス穴の直径の110%である必要があります。ユーザーの用途に応じて、同じチューブを液体注入システムに接続できます.
      手記： 常にマイクロポジショナーを使用してチューブを配置し、PDMS層はそれほど厚くなく、チューブがねじれると剥がれる可能性があります。
   10. 必要に応じて、チューブとPDMSの間にエポキシを追加して、密着性を高めます.
       完成したインターコネクトの例は、図とGhallabおよびBadawy²に示されています。

2. エポキシによるマイクロ流体アプリケーションにおけるマイクロチューブの相互接続¹⁷

インターコネクタを製造するときは、マイクロチューブの端が正しく切断されていることを確認してください。新しい鋭利な刃を使用して、マイクロチューブの端をまっすぐに切断し、マイクロチューブとアクセス穴の接触が均一になるようにします。

1. マイクロポジショナーを使用して、マイクロチューブをマイクロ流体チップのアクセスホールに慎重に配置します。
2. エポキシディスペンサーに小さな圧力を加えて、エポキシをアクセス穴に堆積させるか、手動で配置します。
3. 次の手順を使用してエポキシを硬化させます。
   1. UV硬化型エポキシ:使用するエポキシの量に応じて、UVエポキシをUVソースに3〜10分間さらします。詳細については、エポキシの仕様を参照してください。
   2. 標準エポキシ:マイクロ流体基板をRTでのみ使用する場合は、RTで24時間エポキシ硬化させてください。基板が高温に耐える必要がある場合は、用途に応じてオーブンまたはヒーターを使用してエポキシを100°Cにさらし、エポキシを急速に固化させます。詳細については、エポキシの仕様を参照してください。

3. 電気インターフェースを用いた再利用可能なマイクロ流体チップの組立技術¹⁷

1. コンポーネントの組み立て
   図2は、PCB上の電気コネクタとマイクロ流体チップ上の電気パッドとの間のリンクを示しています。PCB /マイクロ流体チップ/プレキシガラスコンポーネントを組み立てるには、次の手順に従います:
   注意： マイクロ流体チップを破損する可能性のある過度の圧縮圧力は避けてください。
   1. 表面実装マルチピン電気コネクタをPCBにはんだ付けします。
   2. マイクロ流体チップの電気パッドに表面が汚れている場合は、プラズマ酸素で洗浄し、そうでない場合はエタノールで洗浄してください。
   3. 図1および図2に示すように、鋭利な刃を使用して、導電性テープをマイクロ流体チップの電気パッドと同じ寸法の小片に切断します。
   4. 鉗子を使用して、導電性テープをPCB電気パッドに置きます。
   5. マイクロ流体チップを位置合わせしてPCBに配置します.
      手記： 配置精度のために、アライメントマシンを使用してください。
   6. PCBトレースの位置によっては、金属ブラケットを取り付ける前に短絡を避けるために、PCB上に絶縁層(紙など)を配置します。
   7. 小ネジとナットを使用して金属ブラケットを取り付けます。
2. 分解
   1. 小ネジ、ナット、金属ブラケットを取り外します。
   2. マイクロ流体チップとPCBをそっと分離します。
   3. 再組み立てする前に、エタノールを使用して、PCBおよびマイクロ流体チップの電気パッドから導電性テープ接着剤を取り除きます。

Results

図 3 は、提案されたパッケージング手法の詳細な概略を示しています。パッケージングソリューションは、図4および5に示すように、ハイブリッドマイクロエレクトロニクス/マイクロ流体マイクロシステムの透明で効率的なパッケージングプロセスを特徴付けるために、いくつかのPDMSの厚さとサイズでテストされました。設計されたPDMSインターコネクトレイヤーの寸法は6mm x 6mmで、2つのアクセスホールを接続するために使用されます。しかし、主要な市販のコネクタでは、アクセス穴の間隔が5mm以下の場合、この寸法内で複数の穴を接続することはできません。したがって、この場合、エポキシとPDMSがチューブに最適です。PDMSインターコネクトの異なる厚さ(0.45mm、1mm、1.75mmなど)がテストされます。最も良好な接着性は、薄いPDMS層(0.45 mm)で達成されます。最後に、PDMSベースのインターコネクトの作製には約20分かかります。

液体の流速はマイクロシリンジポンプで監視されます。0....

Discussion

PDMSインターコネクタは低圧アプリケーションを対象としており、PDMSインターコネクタをその後アクセスホールに配置する際にチップアクセスホールへの液体漏れを防ぐ必要があります。したがって、PDMSの推奨厚さは2mm未満です。厚みが大きいと、マイクロ流体チップ表面へのPDMSの接着が弱くなる可能性があるため、推奨されません。4 mm の厚さを使用して失敗した試験が行われました。この研究は、シリンジポンプが液体注入を制御している間、PDMSインターコネクタのガラスへの接着に焦点を当てています。溶液漏れとは、液体の最大流量を制限する接着力の喪失を指します。したがって、溶液漏れとは、設計PDMSインターコネクタで使用できる最大液体流量を指します。

この方法で説明されているインターコネクタは、マイクロ流体チップまたはシステムのプロトタイピング段階で、取り外し可能なインターコネクタが必要な場合、理想的ではない可能性があります。このインターコネクタは使い捨てであることが多く、マイクロ流体チップから取り外すと、同じ初期接着で元の位置に戻すことが難しく、新しいものと交換する必要があります。ただし、...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
エポキシ 731	Epotek	731
PDMS	ダウ コーニング	SYLGARD 184
UV エポキシ	Epotek	OG159
マイクロポンプ	ハーバード装置	PHD ウルトラ
PCB	アドバンスド回路
プレキシガラス	エコール ポリテクニーク
接着剤 導電性映画	3M	9703